Studium (Fach) / Werkstoffkunde (Lektion)

Diese Lektion wurde von Alrun1988 erstellt.

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• Was beschreibt das EKD? Das Eisen Kohlenstoff Diagramm. Zustandsschaubild, beschreibt Legierungssystem Eisen und Kohlenstoff in Abhängigkeit von Konzentration und Temperatur.
• In welcher Phase befindet sich Eisen bei 1536 °C? In der Schmelze, bzw. liegt der Schmelz-/ Erstarrungspunkt bei T= 1536°C
• In welcher Phase befindet sich Eisen bei 1392 ° bis 1536°? delta- Eisen
• In welchem Temperaturbereich liegt gamma- Eisen vor? 911° bis 1392°.
• In welchem Temperaturbereich liegt alpha- Eisen vor? < 911°
• Welche sind die technisch bedeutenden Eisenphasen ? Kubisch- raumzentrierte- alpha Eisen und das flächenzentrierte gamma Eisen.
• In welchen drei Erscheinungsformen tritt Kohlenstoff im Gefüge auf? 1. ungebunden und als Graphit C ausgeschieden ( wie Diamant reiner Kohlenstoff, allerdings in anderer Modifikation ( andere Atomanordnung und Bindungscharakter)) 2. gebunden als Fe3C (Zementit oder Eisencarbid), Kohlenstoff mit Eisen chemisch gebunden. Kann gemeinsam mit Graphit auftreten. 3. auf Zwischengitterplätzen im Eisengitter gelöst (krz oder kfz)
• Wo liegt die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff im krz und wo im kfz Gitter? Im krz bei 0,02% und im kfz bei 2,01 % Dadurch zu erklären, dass im kfz Gitter die Kohlenstoffatome in rel. großen, zentralen oktaedrischen Lücken gelöst werden können.
• Welche einzelnden Phasen treten im EKD auf? alpha Mischkristalle: Ferrit, krz Eisengitter, bevorzugte Kohlenstofflagen Flächenmitten der Elemetarzelle, max. Löslichkeit C 0,02% gamma Mischkristall: kfz Eisengitter, bevorzugte Kohlenstofflage ist die Raummitte der Elementarzelle delta- Mischkristall: krz Eisengitter, max Lösligkeit 0,10 % Fe3C (Zementit): C mit Eisen chemisch gebunden Kohlenstoffgehalt 6,67, zerfällt bei höherer Temperatur in Eisen und Kohlenstoff Elementarer Kohlenstoff: Graphit Schmelze: Schmelzflüssiges Eisen und schmelzflüssiger Kohlenstoff
• Was ist das besondere an dem EKD im Vergleich zu den anderen? Doppelschaubild, das bei 7% Kohlenstoffgehalt abbricht. Die Gehalte dadrüber bleiben unberücksichtigt, weil der für die Stahl- und Gusseisentechnologie endet. Eisen wird bei C=< 6,67 % vollständig zu Eisencarbid umgesetzt.
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• Wie lässt sich das EKD Schaubild noch auffassen? Als vollständiges Zweistoffsystem Eisen-Eisencarbid. Das Schaubild endet bei 100 Masse Prozent. Auf der Abzisse unter Skalierung für Kohlenstoff noch eine für Zementit angegeben.
• Warum wird das Eisen Zementit System als metastabil angesehen? Weil sich Zementit beim Glühen in Richtung des thermodynamischen GG verändert.
• Wie sind Legierungen des Eisen- Graphit System? Stabil.
• Wieso ist das metastabile Eisen Eisencarbid System das technisch wichtigere? Weil der Aufbau der Stähle weitestgehend davon abhängt.
• Wie wird im EKD das stabile System gezeichnet? Gestrichelt. Das technisch wichtigere metastabile System (Fe-Fe3C ) durchgezogen gezeichnet.
• Worin besteht der deutlcihe Unterschied zwischen dem metastabilen und dem stabilen System im EKD? In den Verläufen der Liquiduslinie: Schmelze/Graphit bzw. Schmelze/Zementit.Weegen dem hohen Schmelzpunkt von Graphit (4000°) verläuft die Linie deutlich steiler.
• Was bezeichnet man als Stahl? Eine Eisen- Kohlenstofflegierung mit max. 2% Kohlenstoff.
• Als was werden Eisen-Kohlenstoff Legierungen mit mehr als 2,06% C bezeichnet? Als Gusseisen.
• Aus was setzt sich das gesamte System zusammen und warum? Aus peritektischen, eutektischen und eutektoiden Teildiagramm. Peritektischer Bereich: linken oberen Ecke Eutektoider Teil: linken unteren Ecke Eutektischer Teil: im Zentrum des Schaubilds
• Wo befinden sich die Phasengrenzen?
• Wann beginnt die Umwandlung von gamma Mischkristallen (Austenit) in alpha Mischkristall (Ferrit) und Fe3C? Umwandlung vom γ-Mischkristall (Austenit) in α-Mischkristall (Ferrit) und Fe3C(Zementit) erfolgt demnach unabhängig von der Kohlenstoffkonzentration immer bei723° C.
• Was liegt im EKD bei < 0,1% C vor? Noch kein Stahl. Nach Abkühlung beginnt Erstarrung entlang AB. Es bildet sich delta-Ferrit der mit Schmelze im GG steht- Bei AH ist Erstarrung abgeschlossen. Festkörper besteht vollständig aus delta-Ferrit. Bei weiterer Abkühlung scheidet zusätzl. Austenit aus. Unterhalb IN besteht Gefüge vollständig aus Austenit. Unterhalb GS Auskristallisation von Ferrit. Ferrit und Austenit nebeneinander. Bei C >0,02 = unterhalb PSK Linie Austenitzerfall (Zerfallprodukt Kristallgemisch aus plattenförmign nebeneinander angeordneten Ferrit und Perlit. Gefüge ferritisch-perlitisch.Unterhalb 0,02% kein Austenitzerfall (Austenit vollständig in Ferrit).
• Wie verläuft das EKD im Falle von 0,45% C? Untereutektoide Legierung. Erstarrung beginnt mit Ausscheidung von Delta Mk.  Nach Unterschreiten von AB ausscheiden von einigen gamma Mk. Bei weiterer Abkühlung auf IB vollständige Umwandlung zu gamma Mk. Stehen mit beständigen Schmelze im GG (peritektische Reaktion). Weiterer Verlauf IE gamma Mk. reichert mit C an. Unterschreiten IE bei 1460° Erstarrungsvorgang abgeschlossen. Besteht auschließlich aus kfz Mk (Austenit) C gehalt wie in Ausgangsschmelze. Durch weitere Abkühlung und unterschreiten GOS instabil. Zweiphasengebiet. Alpha Mk.  enstehen an den Korngrenzen der austenitischen gamma-Mk. Aufkonzentration des C's entsprechen Linie GOS. Punkt S eutektoide T (723°C )wird  erreicht. Durch Aufkonzentration mittlerweile C gehalt von 0,80 % verfällt restliches Austenit in Ferrit und Zementit =Perlit.
• Wie sieht Perlit aus? Perlit besteht aus deutlichen hellen Ferritlamellen mit dunklen Zementitlamellen. Deutlicher Kontrast. Perlit C Gehalt von 0,80%.
• Was passiert bei C Gehalt von 0,6%? Nach Unterschreiten (Liquidus)BC, Auskristallisation von gamma- Mischkristallen. Weiterer Abkühlverlauf wie bei C<0,6. Unterschied dabei, keine peritektische Reaktion.
• Was passiert bei C- Gehalt von 0,8% Eutektoid. Nach Beginn Erstarrung , gamma Mk. scheiden aus. Im Zweiphasengebiet Schmelze/gamma-Mk. reichert sich der Mischkristall bie Erreichen Solidus (IE) mit C an. Im Einphasengebiet dann Mischkristall dann eutektoide Zusamensetzung. C Gehalt wie in Ausgngszustand. Bei eutektoiden Zusammensetzung wird GOS Linie nicht geschnitten, also keine voreutektoide Ferritausscheidung. In  S zerfällt AUstenit in Perlit. Gefüge rein perlutisch.
• Was passiert bei C Gehalt von 1,35%? C Menge zw. 0,8 und 2,06%! Übereutektoid. (rechts von Punkt S). Erstarrung beginnt mit Kristallisation von gamma-Mk.. Bei weiterer Abkühlung erhöht sich beim gamma-Mk. im Zweiphasengebiet der C- Gehalt entlang IE Linie. Zugleich steigt Anteil Austenit. Unterhaln IE einphasiges Austenitgebiet. Schmleze völlig erstarrt.  Nach unterschreiten SE bei 900°C wird gamma-Mk. unbeständig. Der nicht mehr lösliche C entlang Austenitkorngrenzen als Sekundärzemetit ausgeschieden . Abnahme von C Gehalt. Bis zum Punkt S. Bei eutektoiden T von 723° zerfallen Austenitkörner zu Perlit  (Ferrit und Zementit).  
• Woran lässt sich eine übereutektoide Legierung erkennen? an den Perlitkörner, die von hellen Korngrenzenzementit umsäumt werden.
• Was passiert bei einem C Gehalt von 2,5 %? Dann wird es nicht mehr als Stahl bezeichnet, sondern Gusseisen. Bei C >2,06%, tritt ein neuer Gefügebestandteil auf: Ledeburit. Schmelze setzt bei 2,5% bei 1350°C ein. Ausscheidung Austenit. Bei weiteren Abkühlung reichert sich Schmelze und Mischkristall mit C an. Dicht bei Punkt C Schmelze und Austenit an Kohlenstoff gesättigt. Nach T= 1147°(ECF) erstarrt Restschmelze zum Eutektikum Ledeburit (Austenint und Zementit). Gefüge aus primären Austenit und Ledeburit. Bei weiteren Abkühlung scheidet sich aus Austenitkristallen und aus Austenitkristallen des Ledeburit Sekundärzementit aus. Nach Erreichen eutektoiden T (723°C) zerfällt primär ausgeschiedener Austenit und Austenit Ledeburits in Perlit.
• Was passiert bei einem C Gehalt von 4,5 %? Übereutektische Zusammensetzung (weißes Gusseisen). Dabei kristallisiert nadelförmiger Primärzementit aus Schmelze. Bei Abkühlung verarmt Schmelze an C und verfügt am eutektischen Punkt C über eutektisches Zusamensetzung. Unterhalb Eutektikalen Gefüge aus Ledeburit und eingelagerten nadelförmigen Zementitkristallen. Unterhalb von 723° zerfallen Austenitkristalle des Ledeburit eutektoid zu Perlit.
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• Wie erfolgt eine Phasenumwandlung? Durch eine Umordnung atomarer Teilchen. Diese geschiedt durhc Diffusion. Es gibt allerdings auch stoffl. Umordnungen, die diffusionslos und extrem schnell verlaufen. Diffusion ist ein zeit- und temperaturabhängiger Vorgang der mer oder weiniger Zeit benötigt.
• Was passiert, wenn im EKD die Temperaturänderungen schneller als normal erfolgen? Dann ergeben sich völlig neue Gegebenheiten, die sich nicht im EKD darstellen lassen. Je schneller abgekühlt wird desto weniger können sich Gefüge ausbilden, die den GGGefügen entsprechen. Die elementaren Teilchen haben bei schnell ablaufenden Unterkühlungen nicht mehr die Zeit ihre gleichgewichtsnahen Gitterpositionen einzunehmen. Bei sehr schneller Abkühlung ist Umorientierung nur durch diffusionslose, sofortige Umwandlung möglich. Bei höheren und hohen Abkühlgeschwindigkeiten entstehen meta bzw. instabile Gefügezustände, ggf. auch neue Phasen.
• Wie verschieben sich die sich die Phasengrenzlinien des EKD bei wachsender Abkühlgeschwindigk.? Die gleichgewichtsnahen Phasengrenzlinien verschieben sich zu tieferen Temperaturen. Umwandlungen werden verzögert, sie erfolgen erst bei tieferen Temperaturen. Es kommt nicht mehr zu Diffusionsvorgängen, Diffusion wird "eingefroren" es kommt zur Ausbildung von metastabilen Zwischenzuständen, die nur bei niedrigen T. mehr oder weniger beständig sind. 
• Welche versch. Umwandlungen von E-K gibt es? Umwandlungsverlauf in: Perlitstufe Bainitstufe Martensitstufe  
• Was passiert bei einer Umwandlung auf der Perlitstufe? Bei geringen Unterkühlungen und Abkühlgeschwindigkeiten, zerfällt Austenit vollständig in Perlistufe. Gefügebilder ähneln gleichgewichtsnahem Perlit. Bei Abkühlgeschw. oberhalb 50K/s deutliche Unterschieden. Zwei Unterkühlungstufen: Unterkühlungstufe I: Unterdrückung voreutektoiden Phasenausscheidung. Phasenänderungen an der GOS Linie ( untereutektoid) oder SE (Übereutektoid), wenn es sich um einen Stahl handeln würde, der weniger als 0,8% C enthielte, wäre mit voreutektoider Phasenausscheidung die Umwandlung von Austenitkristall in ferrit gemeint. Ferritbildung könnte vollständig unterdrück werden. Unterhalb PSK Linie, unterkühllte Austenit vollständig zu Perlit. Bei höheren Abkühlgeschw. bildet sich Perlit feinlamellar und unterm Mikroskop gerade noch auslösbar. Bei noch höherer Abkühlungsgeschw. entsteht feinstlamellarer Perlit (Troosit) .
• Was passiert bei der Umwandlung in der Bainitstufe? Bei ausreichend tiefen T. und hoher Abkühlgesch. bildet sich völlig diffusionsloses Martensit. Die Zwischenstufe zwischen Perlit und Martensit ist Bainitstufe. Diese tritt bei ausreichend schneller Abkühlung auf und wenn 450° C unterschritten wird. Nur kleine Kohlenstoffatoma sind noch diffusionsfähig. Sowohl diffusionslose Umklapp- als auch Diffusionsvorgänge nebeneinander ablaufen. Austenit durc Umklappvorgang in mit C übersättigte Struktur übergeben. Zurgleich Karbidausscheidung. Gefüge: ferritischen Matrix und fein verteilten Karbiden. Es treten mehere untersch. bainitische Gefügearten auf.
• Welche zwei Hauptgruppen von Gefügearten der Bainitstufe gibt es? Das nadelige Zwischenstufengefüge: bei kostanter T. oder gleichmäßigen Abkühlung. Das körnige Zwischenstufengefüge: bei gelcihmäßiger Abkühlung. Kohlenstoffreiche Phasen in bainitischer Ferritmatrix eingelagert.
• Was passiert in der Martensitstufe? Völlige diffusionslose Umwandlung. martensitisches Gefüge bewirkt erhebliche, technisch bedeutende Härtesteigerung.(allerdins auch sehr spröde). Umwandlungspunkte als Funktion der Abkühlgesch. Umwandlungspunkte gamma-Mk.  zu alpha-Mk. (Ar3) und gamma- Mk. zu Perlit (Ar1) zu tieferen Temperaturen verschoben werden.Folge: größere Unterkühlung Austenit und größeren Keimdichte für Phasenbildung erreicht. Punkt Ar3 sinkt schneller als Ar1. Mit zunehmender Abkühlgeschw. scheidet sich immer weniger voreutektoider Ferrit aus. Ferrit geht zu eher körnigen in einer bandartige Form über. Bei 50K/s verschmelzen Punkte zu gemeinsamen Punkt Ar'. Das Gefüde ist feinlamelar-perlitisch. Bei 250 K/s Veränderung Gefüge. Neben Perlit entsteht Bainit. Bei 300°C bildet sich Martensit. Bei 600K/s keine anderen Gefügebestandteile als Martensit.
• Was ist bei der Martensitbildung charakteristisch? Umkristallisation als Umklappmechanismus bezeichnet werden. Jede Elementarzelle des Martensits durch Scherdeformation aus Austenit gebildet. Atome werden kollektiv um konstanten Betrag verschoben. Die Temperatur bei der, der erste Martensitkristall aus Austenit entsteht =Ms Temperatur. Je höher Anteil C desto tiefer Starttemperatur für Martensitbildung. Bei 0,2%, Ms bei 410°, bei 1,6% bei 100°. Daneben wird Startemperatur durch Legierungselemente wie Nickel, Manban und Stickstoff herabgesetzt. Dies sind auch Elemente, die Austenit stabilisieren. Bei ausreichenden Anteilen kann Austenit sogar bei Raumtem. existent sein.    
• Wie ist die Struktur der kohlenstoffhaltigen Elementarzelle des Martensits? Struktur ist nicht streng genommen nicht  kubisch und auch nicht mehr als ferritisch bezeichnet. Elementarzelle tetragonal. Eine Seite der innenzentrierten Elementarzelle ist länger als die anderen beiden. Dies wird durch interstitiell( auf Zwischengitterpätzen) gelösten C Atome bewirkt. Mit zunehmenden Kohlenstoffgehalt kommt es zu Anstieg des Gitterparameter c. Imhomegene Gitterverzerrung ist Ursache der erhöhten Härte betrachtet. In das Gitter eingelagerte C Atome erschweren Gelitvorgänge.    
• Was ist das Ausgangsprodukt der Stahlproduktion? Roheisen
• Welche Minerale enthalten Eisen? Hämatit (Fe2O3) und Magnetit (Fe3O4)
• Wie erfolgt die Gewinnung von Roheisen? Wird aus Eisenerz durch Reduktion gewonnen mit Hilfe von Kohlenmonoxid.
• Was passiert bei der Gewinnung von Roheisen? Hochofen (schachtförmig) etwa 25 bis 30m hoch. Von unten heiße Luft eingeblasen. Von oben mit Koks und Gemenge aus Erz und versch. Zuschlagstoffen beschickt. Das reduzierende Kohlenmonoxid bildet sich bei Verbrennung von Koks im unteren Teil des Hochofens unter EInwirkung Heißwindes.Das im Eisenoxid gebundene Eisen wird durch das von unten aufsteigende Kohlemonoxid schrittweise reduziert. Es bildet sich schwammiges Roheisen das immer noch fest ist. Temperatur zwischen 400° bis 900°. Aus einem Teil des Kohlenstoffmonoxid bildet sich Kohlendioxid und Kohlenstoff.
• Was ist Koks? hochwertiger Brennstoff der 70-91% Kohlenstoff enthält. Entsteht als Rückstand bei trockenen Destillation von Steinkohle.

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